JP3453303B2 - 固体電解質イオン導体反応器の設計 - Google Patents

固体電解質イオン導体反応器の設計

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス分離系に使用
するための固体電解質イオン導体反応器の設計に関す
る。また、本発明は、ガス分離系において使用するため
の固体電解質イオン導体加熱器／反応器の設計と酸素分
離器／反応器の設計との組み合わせに関する。
【０００２】米国政府の権利 この発明は、ナショナル・インスチチュート・オブ・ス
タンダード・テクノロギーにより与えられた共同契約Ｎ
ｏ．７０ＮＡＮＢ５Ｈ１０６５での米国政府の援助によ
りなされた。米国政府は、この発明に一定の権利を有す
る。
【０００３】相互参照 本願と同時に出願された出願”一体化された固体電解質
イオン導体分離器−冷却器”米国特許出願第０８／７４
８，１９９号をここで参照することによって本願に含め
るものとする。
【０００４】
【従来の技術】長年にわたって、非極低温大量酸素分離
系、例えば有機重合体膜が、空気及びその他のガス混合
物から選定されたガスを分離するために使用されてき
た。空気は、種々の量の水蒸気を含有し且つ海上レベル
では容量で下記の概略組成：酸素（２０．９％）、窒素
（７８％）、アルゴン（０．９４％）、その他のガスか
らなる残部を有するガス混合物である。しかし、完全に
異なったタイプの膜をある種の無機酸化物から製造する
ことができる。これらの固体電解質膜は、蛍石型又はペ
ロブスキー石型構造を有するカルシウム−又はイットリ
ウムで安定化されたジルコニウム及び類似物の酸化物に
代表される無機酸化物から製造される。これらの材料
は、高められた温度では、易動性酸素イオン空孔を含有
する。これらの材料は酸素の透過のみを可能にさせるた
めに、それらは酸素に対する無限の選択性を有する膜と
して作用し、従って新規な空気分離プロセスに使用する
のに非常に魅力的である。
【０００５】これらの酸化物セラミックス材料のガス分
離膜としての可能性は大きいが、それらの使用に当たっ
てはいくつかの問題がある。もっとも明らかな困難は、
知られた酸化物セラミックス材料の全部が高められた温
度でのみ評価できる酸素イオン導電性を示すことであ
る。それらは、通常は５００℃よりもずっと高く、一般
的には７００℃〜１２００℃の範囲に操作されなければ
ならない。この制限は、それでも上記よりも低い温度で
十分に作働する材料を見いだすために多くの研究の余地
を残すものである。固体電解質イオン導体の技術は、プ
ラサド他の米国特許第５，５４７，４９４号（発明の名
称：段階的電解質膜）に詳細に説明されている。従来技
術の状態をさらに詳細に説明するためにこれをここで参
照することによって本明細書に含めるものとする。
【０００６】混合及び二相型固体酸化物イオン及び電子
導体材料の開発は、それらの酸素イオン輸送能力及び外
部回路の必要もなく固体電解質膜を通る電子の戻り流れ
を利用する方法を使用するための興味ある機会を作り出
した。固体電解質分離プロセスは、カソード上の酸素含
有ガスの酸素分圧とアノード上の反応性環境の酸素分圧
との比によって生じる化学ポテンシャルにより駆動され
る。この効果を利用する系の多くの例がある。これらの
例としては、アルゴン及び窒素のような不活性ガスから
の残留酸素の除去（脱酸素プロセス）、一体化ガスター
ビンサイクルでの酸素、窒素、アルゴン及び二酸化炭素
の共同生産、窒素、酸素及び二酸化炭素の製造系、合成
ガスの発生のような化学酸化プロセスに使用するための
部分酸化反応器（例えば、ブリティッシュ・ペトロウリ
ウム社のエレクトロポックス法）、並びに、酸化反応が
アノードでの固体電解質イオン導体要素の表面で起こる
という事実が窒素を排除し、これによって適切な熱管理
により温度上昇とＮＯｘの発生を制限させるという燃焼
器の用途がある。
【０００７】上記のプロセス法のどれも、実用的である
ためには、効率的な態様で割り当てられた機能を達成で
きる反応器を要求する。本発明は、特に、効果的で効果
的で効率的な操作に要求される固体電解質反応器及び固
体電解質反応器の組み合わせのための基本設計原理に関
する。これらの装置では、熱は酸化反応によってイオン
輸送膜のアノード側で生じるので、固体電解質イオン導
体要素の温度をできる限り均一な温度に保持するように
熱伝達を管理することが重要である。固体電解質イオン
導体要素の部分があまりにも低い温度で作働するなら
ば、これらの部分の酸素流束は低下する。また、これら
の部分があまりにも高い温度で作働するならば、これら
の部分の有効操作寿命は想到に低下するであろう。さら
に、設計は、カソード側及びアノード側のそれぞれへの
酸素及び燃料の有効な物質移動を与え且つ酸素流束と反
応速度を使用する要素の材料の安定性特性に応じてアノ
ード表面上の酸素分圧を１０-14 ａｔｍより高く１０
-16 ａｔｍまで保持するようにバランスさせねばならな
い。多くの知られた材料は、非常に低い酸素分圧ではそ
の格子構造から酸素が失われるためにひどく悪化する傾
向がある。
【０００８】本発明の第二の目的は、固体電解質反応器
をその他の機能、例えば、第二の固体電解質膜による第
三のガス流れの加熱又はカソード側流れからの酸素生成
物の分離のような機能と単一の装置において組み合わせ
るための作業可能な解決策を提供する配置構成を規定す
ることである。上記の機能の一体化は、熱管理及び物質
移動について上で述べた要件を妨げないように達成され
なければならない。
【０００９】固体電解質イオン導体を使用する空気分離
の技術状態の進歩が技術文献に示されている。
【００１０】例えば、マザネック他の米国特許第５，３
０６，４１１号（発明の名称：固体多成分膜、電気化学
的反応器の構成要素、電気化学的反応器並びに膜、反応
器の構成要素及び酸化反応のための反応器の使用）は、
酸素含有ガスと酸素消費ガスを反応させるための電気化
学的反応器に関し、酸素含有ガスが固体電解質膜の一方
の側に流れ且つ酸素消費ガスが他方の側に流れるシェル
及び管状反応器を記載している。しかし、マザネック他
は、膜表面を所望の均一な温度に保持するための熱管理
に関する問題点、効果的な物質移動を達成するための流
れ速度論又は材料の安定性のために適切な酸素分圧を保
持するように反応速度を酸素イオン伝導度とバランスさ
せる必要性を記載していない。
【００１１】ウエスチングハウス社は、例えば、１９９
５年１２月５〜７日にカリフォルニア州アナハイムで開
催されたＰｏｗｅｒＧｅｎ １９９５−アメリカス会議
で発表された刊行物（フランクＰ．ブベック及びウオル
ターＧ．パーカー、ＳｕｒｅＣＥＬＬTM 配電された用
途のための一体化固体酸化物燃料電池電力プラント）に
記載されたような管状デザインを有する固体燃料電池を
開発した。この刊行物は、本発明の寸法形状のいくつか
と表面的な類似性を有する形状を持った管状固体酸化物
燃料系に関するものであるが、しかし、本発明の固体電
解質反応器により達成される機能に関するものではな
い。ブベック及びパーカーは、酸素の移送が起こるカソ
ード通路に入る前に空気が予熱されることになる同軸内
部管によって空気が固体電解質膜の内部カソード側に供
給される閉鎖端部燃料電池要素を記載している。しか
し、ブベック及びパーカーは、熱管理及び流れ速度論の
問題点を記載していない。さらに、ウエスチングハウス
社の装置は、本発明のものと異なって、熱又は所望のア
ノード側生成物を生じされる反応器ではなく、電力を生
じる燃料電池であり、従って電解質として混合又は二相
導体を使用することができない。さらに、ウエスチング
ハウス社の固体酸化物燃料電池設計（ここでは、図４を
参照）は低圧装置であるが、本発明の反応器は固体電解
質膜の一方の側で少なくとも高められた圧力を一般に経
験しよう。
【００１２】複数の管状膜ユニットであってそれぞれの
ユニットがチャンネルを含まない多孔質支持体とその上
に担持された緻密な混合導電性酸化物層を有する管状固
体状態膜モジュールが、ダイヤー他の米国特許第５、５
９９、３８３号に開示されている。各ユニットの多孔質
支持体は、緻密な層及び多孔質支持体を透過した酸素を
排出させるための１個以上のマニホルド又は導管と流れ
連通関係にある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、ガス分離系に使用するための有効なイオン輸送反応
器の設計を提供することである。また、本発明の目的
は、ガス分離系に使用するための加熱器／反応器の設計
を生じるようにイオン輸送反応器と加熱器を組み合わせ
ることである。本発明の他の目的は、ガス分離系に使用
するための酸素分離器／反応器の設計を生じるようにイ
オン輸送反応器と酸素分離器を組み合わせることであ
る。本発明の他の目的は、イオン輸送膜の透過側を反応
性ガス流れによりパージすることによって設計の効率を
増大させることである。本発明のさらに他の目的は、材
料、流入速度及びガス流れの形態を選定することによっ
て反応器における物質移動及び熱伝達を最適化すること
により設計の効率を増大させることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】発明の概要 本発明は、イオン輸送反応器並びにこれをを使用して反
応体ガス流れを元素状酸素及び少なくとも１種のその他
のガスを含有する供給ガス流れからの酸素と反応させる
ための方法からなる。イオン輸送反応器は、保持側及び
透過側を有するイオン輸送膜を含む。方法は、イオン輸
送膜の保持側に供給流れを流し、イオン輸送膜の透過側
に反応体ガス流れを流すことを包含する。イオン輸送膜
を透過する酸素と反応する反応体ガス流れから発生する
熱は、供給ガス流れを加熱するために供給ガス流れに伝
達されると共にイオン輸送膜の温度をそのイオン輸送膜
の操作範囲内に保持させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい具体例におい
て、操作範囲は、約５００℃〜約１１００℃である。本
発明の他の好ましい具体例においては、イオン交換膜に
沿った温度は、膜の長さの全体にわたって実質的に一定
に保持される。本発明のさらに他の好ましい具体例にお
いて、酸素透過抵抗及び反応速度は、膜の透過側の酸素
分圧が１０-16 ａｔｍよりも高く保持されるように割り
当てられる。他の好ましい具体例においては、イオン輸
送膜は、表面での化学反応を促進させるためにイオン輸
送膜の透過側の少なくとも一部分に添加された多孔質触
媒層を有する。さらに他の好ましい具体例においては、
イオン輸送管の一方の側の少なくとも一部分が表面交換
速度を高めるためにドープされる。本発明のさらに他の
好ましい具体例においては、供給ガス流れの流れは、ガ
ス拡散抵抗を最小限するためにイオン輸送膜とシュラウ
ドとの間の供給ガス通路を通るイオン輸送膜の保持側表
面に沿って一定のチャンネルで通される。
【００１６】本発明の他の好ましい具体例において、イ
オン輸送管の操作によって発生する反応熱からの熱の少
なくとも一部分は、例えば供給ガス流れのような流体流
れに伝達され、イオン輸送反応器中に流れる。本発明の
さらに他の好ましい具体例において、熱伝達面積及び熱
伝達系数の少なくとも一つが、供給ガス流れとイオン輸
送膜との間の温度差（ΔＴ）により逆比例して変動す
る。本発明のさらに他の好ましい具体例において、供給
ガス流れは、第一供給ガス部分に分けられ、反応器に供
給され、反応体ガス流れと反応するための酸素を提供
し、これによって熱が発生し、この熱は第一供給ガス部
分を加熱するために使用され、これが保持側及び透過側
を有するイオン輸送分離膜を含むイオン輸送分離器モジ
ュールに熱を伝達させ、この中を第二供給ガス部分が流
れ、そこから酸素がその透過側に沿って抽出される。本
発明のさらに他の好ましい具体例においては、供給ガス
流れがまず分離器段階に入り、そこで追加の酸素が、イ
オン輸送分離器膜を使用する圧力駆動イオン輸送によっ
て非反応性ガス側に抽出され、次いで供給ガス流れがイ
オン輸送反応器に入り、そこで追加の酸素がイオン輸送
膜を使用して抽出されて反応体供給ガスと反応して反応
生成物ガスを生じ、これは次いでイオン輸送分離器膜の
透過側をパージするために使用される。
【００１７】一具体例において、イオン輸送反応器は、
酸素イオンを輸送できる膜であって、保持側と透過側を
有し、しかも供給ガスがその保持側に沿って流れるとき
に供給ガス流れから酸素を抽出するためのものを有する
少なくとも１個のイオン輸送管を含む。操作中に、反応
体ガス流れは、イオン輸送管の透過側に沿って流れてそ
こを透過する酸素と反応し、イオン輸送管の操作によっ
て発生した反応熱からの熱の一部はイオン輸送反応器を
流れる流体流れに伝達され、そして熱伝達面積及び熱伝
達係数の少なくとも一つは供給ガス流れとイオン輸送膜
との間の温度差によって逆比例して変動する。
【００１８】本発明の好ましい具体例において、イオン
輸送反応器は、さらに、各イオン輸送管の少なくとも一
部内に又はその周りに供給ガス流れの流れをイオン輸送
管に沿って向けるためその間に環状の通路を形成するた
めの同心管を含む。他の好ましい具体例においては、熱
伝達面積及び熱伝達係数の少なくとも一つが、温度差が
大きい大きな熱伝達抵抗を達成し且つ温度差が小さい小
さな熱伝達抵抗を達成するための可変のそらせ板間隔に
よって又は可変の絶縁層厚みによってシェル側での供給
ガス通路の長さに沿って変動する。本発明のさらに他の
好ましい具体例において、イオン輸送管は一端で閉鎖さ
れる。本発明のさらに他の好ましい具体例においては、
供給ガス流れは、イオン輸送管に関して交差向流、並流
又は向流方向で流れる。
【００１９】本発明のその他の目的、特色及び利点は、
以下の好ましい具体例及び添付の図面の説明から当業者
には明らかとなろう。
【００２０】本発明は、ガス分離系に使用するための固
体電解質イオン導体反応器の設計に関する。また、本発
明は、固体電解質イオン導体反応器／加熱器の設計と反
応器／酸素分離器の設計との組み合わせに関する。
【００２１】本発明は、従来技術とは対照をなして、固
体電解質反応器が実行実施可能であるために満足しなけ
ればならない機能的な要件の全てを提供し、且つ、反応
器の機能がどのようにその他の操作と有利に組み合わせ
できるかを開示する。詳しくは、本発明は、反応熱が固
体電解質イオン導体要素から除去されて固体電解質イオ
ン導体要素を全く一定の温度に保持するように熱伝達手
段を組み入れるものである。これは、必要時に絶縁層の
可能な追加も含めて適切な熱伝達表面の形状寸法並びに
適切な局部流れ速度を選定することによって局部熱伝達
係数及び熱伝達面積を変動させることによって達成され
る。同時に、膜のカソード表面への酸素及びアノード表
面への反応体の効率的な物質移動は、高い乱流か又は狭
い通路寸法のいずれかによって保証される。さらに、ア
ノード表面の又はその近傍の酸素分圧を、局部酸素流束
及び反応速度をバランスさせることによって使用した特
定の混合又は二相導体の長い寿命のために十分に高いレ
ベルに保持する必要性について注意が払われる。これ
は、一方で適切なイオン伝導性及び厚みを選定し、他方
では触媒材料による触媒活性及び（又は）表面積を制御
することによって達成される。
【００２２】その他の機能、例えば第三のガス流れの間
接加熱又は適当な固体電解質膜による酸素生成物の分離
は、上記の文節で検討した操作要件を満足させながら最
適な簡単さを達成するように一体化される。用語“固体
電解質イオン導体”、“固体電解質イオン輸送膜”、
“イオン輸送膜”又は“固体電解質”とは、本明細書で
使用するときは、別に記してないならば、イオン型材料
か又は混合導体型材料のいずれかを意味するために使用
する。
【００２３】用語“元素状酸素”とは、ここで使用する
ときは、周期律表の他のどの元素とも結合していない任
意の酸素を意味する。典型的には二原子の形態にある
が、元素状酸素は、単一の酸素原子、三原子のオゾン及
び他の原子と結合していないその他の形態のものを包含
する。用語“高純度”とは、望まないガスを１０容量％
未満で含有する生成物流れを言う。好ましくは、生成物
は、少なくとも９０．０％純粋、さらに好ましくは９
９．９％純粋、最も好ましくは少なくとも９９．９９％
純粋であり、ここで“純粋”とは望まないガスが不存在
であることを示す。
【００２４】
【実施例】ここで、本発明を図面を参照して詳細に説明
する。ここで、類似の参照番号は類似の要素を示すため
に使用する。本発明の具体例を、本発明の固体電解質イ
オン導体反応器の基本設計を示すＦｉｇ．１の該略図に
よって例示する。基本設計の特色は全ての固体電解質イ
オン導体反応器について共通であるが、具体的な設計を
脱酸素用途、例えば、粗製の窒素又はアルゴンガス流れ
１８からの１％〜１０％の残留酸素の除去に向けて説明
する。Ｆｉｇ．１の固体電解質イオン導体反応器の設計
は、装置の一端に１個の管シート２１及び装置の他端に
２個の管シート７及び８を有する管−シェルの配置を特
徴とする。シェル１４の内部は、絶縁材１５により熱的
に保護されており、シュラウド３により包囲されたイオ
ン輸送管１が入っており、Ｏリングシール６によりシー
ルされ且つ保護されている。この滑動性の管対管シート
のシールは、イオン輸送管内の熱的及び構成寸法的な変
化を調節する。イオン輸送管１は、緻密な壁状固体酸化
物混合若しくは二相導体又は多孔質基材により保持され
た薄膜状固体酸化物混合若しくは二相導体のいずれかか
らなる。イオン輸送材料は、化学ポテンシャルの差がイ
オン輸送膜を横切る酸素分圧の比に起因するイオン輸送
膜表面を横切って保持されるときに、４００℃〜１１０
０℃の温度範囲において優勢な酸素分圧で酸素イオン及
び電子を伝達させる十分な能力を有しなければならな
い。好適なイオン輸送材料は、表Ｉにリストするような
ペロブスキー石類及び二相金属−金属酸化物結合物であ
る。多くの用途におけるイオン輸送膜のアノード側（透
過側）での反応性環境が非常に低い酸素分圧を作り出す
ので、表Ｉのクロム含有ペロブスキー石類が好ましい材
料であろう。なぜならば、これらはこの環境において安
定である傾向がる、即ち、それらは非常に低い酸素分圧
において化学的に分解しないからである。随意である
が、多孔質触媒層（同じペロブスキー石材からできてい
てもよい）をイオン輸送膜の両側に添加してこれらの表
面における酸素表面の変化及び化学反応を促進させるこ
とができる。別法として、イオン輸送膜の表面層には、
例えばコバルトをドープして表面変化の速度を高めるこ
とができる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】操作中は、酸素含有ガス流れ１８は、反応
器の頂部付近でシェル１４に入り、そらせ板４により方
向付けられたイオン輸送管１内の反応性パージガス又は
反応体ガス流れ１６の流れに対して交差向流式で又は随
意であるが交差並流式で下方に流れ、次いでイオン輸送
管１とシュラウド３との間の環状通路２に入り、そこで
酸素は管１を介して内部に放射状に輸送させることによ
りガス流れ１８から抽出される。ガス流れ１８は、管シ
ート７と８の間の空間から酸素減少ガス流れ２０として
回収される。反応体ガス流れ１６は、イオン輸送管１の
内部を流れ、イオン輸送管１を透過する時に酸素原子と
反応してガス流れ２２を生じ、反応器を出る。
【００２９】イオン輸送管１の透過側での反応のための
酸素は、環状通路２を流れる酸素含有ガス流れ１８から
イオン輸送によって抽出される。ガス拡散抵抗は、イオ
ン輸送管１とそれらのそれぞれのシュラウド３との間の
環状通路２の狭い幅、好ましくは０．５〜４ｍｍ、さら
に好ましくは０．８〜３ｍｍによって最小にされる。反
応は、イオン輸送管１の境界層で又はアノード表面（透
過側）で起こる。その結果、最高温度は、イオン輸送管
１の壁面にあろう。イオン輸送管１及びシュラウド管３
の同心配置がそれらの間の優れた放射熱伝達の結合を保
証し、高い操作温度では放射熱の伝達は非常に効率的で
あるので、シュラウド管３の局部温度はそれらのそれぞ
れのイオン輸送管１の局部温度に密接に従う。また、環
状通路２内を流れるガス流れと通路の壁（即ち、イオン
輸送管１の外部表面とシュラウド管３の内部表面）との
間の熱伝達係数は通路の寸法形状の結果として高いであ
ろう。
【００３０】反応器のシェル１４の内側には、軸方向の
間隔を変えて配置されたそらせ板４が備えられる。酸素
含有ガス１８は環状通路２の入口と反対の端部で反応器
シェル側に入る。流入するガスは、環状通路２内のガス
流れの流れ方向に対して（即ち、イオン輸送管１に対し
て）交差向流で流れる。シェル側ガス流れとシュラウド
３との間の局部熱伝達係数は、局部交差流れ速度及び局
部そらせ板領域を適切に選定することによって制御する
ことができる。この両者はそらせ板の間隔に又は所要な
らば絶縁層を含めて表面形状寸法によって左右される。
典型的なそらせ板の間隔の配列を表IIに示す。距離はイ
ンチで示す。
【００３１】
【表４】
【００３２】上で述べたように、イオン輸送管１の温度
は、反応器の最も効果的な利用を確保するために比較的
均一なレベルで保持されなければならない。これは、下
記のように配置を選定することによって達成することが
できる。大抵の場合に、シェル側での質量流れは反応側
での質量流れを大きく超えるので、反応熱はシェル側ガ
ス流れの温度上昇により主に吸収されなければならな
い。従って、酸素含有ガス１８は、反応温度よりも相当
に低い温度で反応器に入らなければならない。イオン輸
送管１の温度の局部的な低下及び上昇を回避するために
は、ガス流れが反応温度に適度に近い温度で環状通路２
に入ること、シェル側ガス流れとシュラウド３との間の
局部熱伝達が環状通路２の全体の軸方向長さにわたって
本質的に一定であることが重要である。一般に、このこ
とは、ΔＴが大きい場合には熱伝達係数及びそらせ板領
域の密度は低くなければならない、即ちそらせ板の間隔
が広いこと、またΔＴが小さい場合には熱伝達係数及び
そらせ板領域密度は高くなければならない、即ちそらせ
板の間隔は接近することを意味する。
【００３３】上記の検討は、反応速度が温度のみならず
酸素輸送のための局部化学駆動ポテンシャル及び局部反
応速度論によっても変化するので、反応速度が必ずしも
反応器の全長に添って均一ではないことに留意された
い。後記の例が示すように、総合的に詳細な反応器の設
計は、これらの因子の全てが考慮されるという点で全く
複雑な分析を要求する。それにもかかわらず、固体電解
質イオン導体要素の温度プロフィルを比較的均一に保持
することは依然として指導的な設計目標として残り、そ
らせ板の軸方向間隔を変化させる能力が、ΔＴが非常に
大きいならば適切な厚みの絶縁層を追加する能力がそう
であるように、この目標を達成するのに必要な融通性を
与える。本発明のこの観点は、特に、ブリチッシュ・ペ
トロウリウム社により開発された所期のエレクトロポッ
クス法から本発明を区別させるものである。
【００３４】また、設計においては、局部酸素分圧が材
料の安定性を保証するレベルにある、即ち、現時点で知
られた材料について典型的には１０-15 よりも高く１０
-17ａｔｍまでであることを確実にするためには局部酸
素流束と反応速度論とをバランスさせることが重要であ
る。酸素流束は、材料のイオン伝導性、固体電解質の壁
厚、反応速度論、反応体ガスの分圧及び触媒活性（これ
らは触媒の選定及び触媒の拡大領域によって影響を受け
得るが）に依存する複雑な機能である。
【００３５】イオン輸送管１の反応側（透過側）でのガ
ス流れは向流又は並流であってよい。ガス流れの方向
は、これが局部反応速度論及び酸素分圧環境に影響を及
ぼすので、ある種の状況では重要になろう。後者の観点
は、酸素流束、材料の安定性及び構成的な応力に影響を
及ぼす。
【００３６】イオン輸送管１は、下方の管シートに固定
でき又はＯリング６によって自在にシールすることがで
きる。イオン輸送管１は、熱的及び組成的な拡大から生
じる軸の伸長に適合するように滑動できなければならな
い。Ｆｉｇ．１において、イオン輸送管１は、Ｏリング
６によってその上端でシールされる。さらに、イオン輸
送管１がその下端で自在にシールされるならば、熱的及
び組成的な拡大に起因するイオン輸送管１の移動を制限
するように停止をかけなければならない。
【００３７】Ｆｉｇ．１の設計において、管シート７、
８及び２１並びにシェル１４は、絶縁材１５により絶縁
され、構成のために高価でない材料の使用を可能にさせ
るように低い温度に保持される。随意であるが、管シー
ト７、８及び２１は、独立のガス流れ（図示してない）
により積極的に加熱してもよい。
【００３８】マザネック他による米国特許第５，３０
６，４１１号（ここで参照することによって本明細書に
含めるものとする）に開示されたような種々の部分的な
又は完全な酸化反応を管１内で実施することができる。
【００３９】また、Ｆｉｇ．１に例示した設計は、燃焼
器として使用することができる。第一の並流構成におい
ては、反応側ガス流れは通路２に沿って移動する供給ガ
ス流れと並流であり、管シート７は省くことができる。
なぜならば、反応器の両側から出る流れは上部出口９よ
り一緒に出すように合体することができる。別の並流構
成においては、酸素物質移動抵抗の考慮はそれほど重要
ではなくなり、しかして通常は相当な量の過剰酸素が利
用できるので、シュラウド管３を省くことが可能であろ
う。次いで、酸素含有ガス流れ１８がシルエットで示し
た口１２よりシェル１４に供給さえ、口９より他端で引
き出されよう。可変の軸方向間隔を有するそらせ板４
は、上記のように、イオン輸送管１からの反応熱をシェ
ル側ガス流れに伝達させるために比較的一定の局部熱束
を得るために続けて要求される。この第二の燃焼器の構
成において、そらせ板の間隔は、モジュール１７の底部
に向かって広く、頂部に向かって狭い。
【００４０】Ｆｉｇ．２は、機能的に同等である上記の
設計の変形例の詳細を示す。イオン輸送管２８における
応力を回避するためには、それらの端部は、頂部シール
カバー２６によりその頂部でシールされ、シュラウド３
８内で自由浮動性にされる。第三の同心内部管３０が反
応体側ガスの供給又は引き出しのために各イオン輸送管
２８内に加えられる。この流れ配置に適合させるため
に、二重の管シートが頂部から底部に移動し、二つの下
方管シートの間の空間が反応側ガス流れの供給又は引き
出しのいずれかのために利用できる。Ｆｉｇ．２におけ
る酸素含有ガス流れ３６の流れは、反応、熱伝達及びガ
ス流れ関係と同じように、Ｆｉｇ．１のものと同等であ
る。酸素含有ガス流れ３６の流れは、そらせ板４０によ
り方向付けされる。反応体ガス流れ３２は、同心内部管
３０内を流れ、次いで同心内部管３０とイオン輸送管２
８により形成された環状通路２９を流れる。反応体ガス
流れは３２は、それがイオン輸送管２８を透過するとき
に酸素ガスと反応してガス流れ３４を生じ、反応器を出
る。また、酸素減少ガス流れ４２も反応器を出る。Ｆｉ
ｇ．１の設計よりもＦｉｇ．２の設計が有利な点は、拡
大差及び半径方向芯狂いからのイオン輸送管２８に対す
る応力並びに唯一のイオン輸送管対管シートのシールに
対する要求を省くことである。この配置における不利な
点は、同心内部管３０を必要とし並びにそれらの製作中
に密閉端部を有するイオン輸送管２８を準備することを
必要とすることである。
【００４１】Ｆｉｇ．２の酸素含有ガス流れ及び反応体
ガス流れの側は、Ｆｉｇ．３Ａに示すように、比較的小
さい変更により可逆的である。Ｆｉｇ．３Ａの逆配置
は、大きい直径で製作できる複合薄膜イオン輸送管にと
って特に好適である。この場合には、酸素含有ガス流れ
５０は、シェル５３に入り、同心内部管６０を流れ、こ
こで流入する供給ガス流れを加熱し、またイオン輸送管
５８の反応性表面との密な放射熱伝達の結合を受ける。
次いで、酸素含有ガス流れ５０は、同心内部管６０とイ
オン輸送管５８により形成された環状通路６１をイオン
輸送管５８に沿って流れる。上記のように、熱伝達係数
は、流入する供給ガス流れの温度をできるだけ反応温度
付近に上昇させるように高くなければならなず、また局
部熱束における軸方向の変化を最小にするように可変で
なければならない。
【００４２】局部速度を制御して及び（又は）管６０若
しくは５８の可変形状寸法、可変領域インサート、可変
ピッチらせん状インサート若しくは可変厚み絶縁用イン
サートを使用することによって熱伝達係数を変えること
が可能である。Ｆｉｇ．３Ｂは、Ｆｉｇ．３Ａの同心内
部管６０及びイオン輸送管５８の詳細を示す該略図であ
って、局部熱伝達係数を変化させるのに使用される可変
領域インサート６３又は可変ピッチらせん状インサート
６４を示す。Ｆｉｇ．３Ｃは、同心シュラウド管７０及
びイオン輸送管７１の別の詳細を示す該略図であって、
ここでは可変絶縁用厚みインサートが、あるガス流れが
そらせ板７３により案内され且つ別のガス流れが環状通
路７４に沿って流れるときに局部熱伝達係数を変化させ
るために使用される。可変絶縁用厚みインサート７３の
数は１個又はそれ以上（例えば、５個）まで変えること
ができ、別法として、シュラウド管７０の内部表面上に
又はイオン輸送が必要ない場合にはイオン輸送管７１の
外部表面上にあることができる。Ｆｉｇ．３Ｃのその他
の概略的な変更は当業者には明らかとなろう。
【００４３】Ｆｉｇ．３Ａにおいては、Ｆｉｇ．１と同
じように、環状通路６１内の物質移動抵抗は選定された
形状寸法によって低いであろう。反応体混合物ガス流れ
５２は、並流又は向流の流れを望むかどうかに応じてい
ずれかの端部で反応器のそらせ板シェル側に入る。この
具体例においては、外部シュラウドは除かれる。なぜな
らば、この具体例では反応体側の物質移動はそれほど臨
界的ではないからである。酸素減少ガス流れ５６は、管
シート５１と５２の間の空間５７に出ていき、そこから
引き出すことができる。
【００４４】Ｆｉｇ．３Ａの反応器についての全体の設
計を考慮することは、その機能性もそうであるように、
Ｆｉｇ．１の場合と非常に類似している。それなりに、
これは、自由浮動性の管端部及び上部管シートの不存在
という利点を有する。さらに、酸素含有ガス流れは５０
は、反応温度よりも相当に低い温度で反応器に入るの
で、管シート５１及び５２並びに管対管シートの接合部
は、高価ではない構成用材料並びに例えば溶接又はろう
付けのような比較的標準的なシール技術の使用を可能に
するように比較的低い温度に保持することができる。不
利益は、温度プロフィルの制御がＦｉｇ．１の設計ほど
に良好ではないことである。
【００４５】Ｆｉｇ．４Ａは、窒素ガス流れから２％の
含有酸素を除去して１０ｐｐｍ未満の酸素の生成物ガス
純度を得るために設計したＦｉｇ．１と類似の反応器の
例を示し、さらに本発明の一般的原理を例示するもので
ある。Ｆｉｇ．４ＢはＦｉｇ．４Ａの上部の詳細を示す
図であり、Ｆｉｇ．４ＣはＦｉｇ．４Ａの下部の詳細を
示す図である。
【００４６】
【表５】
【００４７】Ｆｉｇ．４Ａの反応器の例の具体例は、メ
タンのような特定の反応体種に基づく不均一反応モデ
ル、多抵抗酸素流束モデル並びに熱伝達モデルを使用し
て設計された。Ｆｉｇ．４Ａに示す本発明の具体例の操
作は、Ｆｉｇ．１のものと類似している。上で述べたよ
うに、Ｆｉｇ．４Ｂ及び４ＣはそれぞれＦｉｇ．４Ａの
頂部及び底部の詳細を示し、以下に説明するようにＦｉ
ｇ．４Ａのこれらの領域の構成の詳細を知るために考慮
されるべきである。
【００４８】Ｆｉｇ．４Ａにおいて、酸素含有ガス流れ
１８は、反応器の頂部付近のシェル１４に入り、そらせ
板４により方向付けられるイオン輸送管１内の反応性パ
ージ又は反応体ガス流れ１６に対して交差向流態様下方
に流れ、次いでイオン輸送管１とシュラウド３との間の
環状通路２（Ｆｉｇ．４Ｂの詳細な図に示す）に入り、
そこで酸素はガス流れから抽出され、管シート７と８の
間の空間から酸素減少ガス流れ２０として回収される。
反応体ガス流れ１６は、イオン輸送管１内を流れ、イオ
ン輸送管１を透過するときに酸素ガスと反応してガス流
れ２２を生成し、反応器から出る。上記のように、イオ
ン輸送管１の透過側での反応のための酸素は、環状通路
２を流れる酸素含有ガス流れ１８からイオン輸送によっ
て抽出される。ガス拡散抵抗は、イオン輸送管１とそれ
らのそれぞれのシュラウド３との間の環状通路２の狭い
幅によって最小にされる。反応はイオン輸送管１の境界
層で又はアノード表面（透過側）で起こる。その結果と
して、最高の温度はイオン輸送管１の壁にあろう。イオ
ン輸送管１及びシュラウド管３の同心配列がそれらの間
の優れた放射熱伝達の結合を保証し、高い操作温度では
放射熱伝達が非常に効率的であるので、シュラウド管３
の局部温度はそれぞれのイオン輸送管１の局部温度に密
接に従う。
【００４９】また、環状通路２内を流れるガス流れと通
路の壁（即ち、イオン輸送管１の外部表面とシュラウド
管３の内部表面）との間の熱伝達係数は通路の形状寸法
の結果として高いであろう。反応器のシェル１４の内側
には軸方向間隔を変えて配列されるそらせ板４が備えら
れる。酸素含有ガス１８は、環状通路２の入口に対して
反対の端部で反応器シェル側に入る。流入するガス流れ
は、環状通路２内のガス流れの流れ方向に対して（即
ち、イオン輸送管１に対して）交差向流で流れる。シェ
ル側ガス流れとシュラウド３との間の局部熱伝達係数
は、局部交差流れ速度及び局部そらせ板領域の適切な選
定によって制御することができる。この両者はそらせ板
間隔により又は所要ならば絶縁層を含めて表面の寸法形
状によって左右される。
【００５０】上で述べたように、イオン輸送管１の温度
は、反応器の最も効果的な利用を保証するために比較的
均一なレベルに保持されなければならない。これは、次
のように選定された配置により達成することができる。
大抵の場合に、シェル側での質量流れは反応側での質量
流れを大きく超えるので、反応熱はシェル側ガス流れの
温度上昇によって主に吸収されなければならない。従っ
て、酸素含有ガス流れ１８は、反応温度よりも相当に低
い温度で反応器に入らなければならない。
【００５１】イオン輸送管１の温度の局部的な降下及び
上昇を回避するためには、ガス流れが反応温度に適度に
近い温度で環状通路２に入ること、シェル側ガス流れと
シュラウド３との間の局部的な熱伝達が環状通路２の全
体の軸方向長さにわたって本質的に一定であることが重
要である。一般に、このことは、ΔＴが大きい場合には
熱伝達係数及びそらせ板領域の密度は低くなければなら
ない、即ちそらせ板の間隙が広いこと、またΔＴが小さ
い場合には熱伝達係数及びそらせ板領域の密度は高くな
ければならない、即ちそらせ板の間隙は接近することを
意味する。
【００５２】Ｆｉｇ．４Ｃでわかるように、イオン輸送
管１は、下方の管シートに固定でき又はＯリング６によ
って自在にシールすることができる。イオン輸送管１
は、熱的及び組成的な拡大から生じる軸方向の伸長を調
節するように滑動できなければならない。Ｆｉｇ．４Ａ
でわかるように、イオン輸送管１は、Ｏリング６によっ
てその上端でシールされる。さらに、イオン輸送管１が
その下端で自在にシールされるならば、熱的及び組成的
な拡大に起因するイオン輸送管１の移動を制限するため
に停止をかけなければならない。Ｆｉｇ．４Ａの設計に
おいて、管シート７、８及び２１並びにシェル１４は、
絶縁材１５により絶縁され、高価でない構成材料の使用
を可能にさせるように低い温度に保持される。随意であ
るが、管シート７、８及び２１は、独立のガス流れ（図
示してない）により積極的に冷却してもよい。
【００５３】マルチ抵抗酸素流束は、カソード及びアノ
ード側での界面速度論のための方程式をイオン輸送膜内
の撹拌プロセスと結合することによって計算された。両
表面上では、酸素流束のための駆動力は特定の表面を横
切る酸素ポテンシャル勾配である。カソードでは、酸素
流束は膜材料内の酸素空孔濃度及び酸素分圧の平方根に
比例する。アノードでは、反応体酸化速度は、反応体種
の分圧及び膜壁の空孔濃度に比例する。壁内の酸素の拡
散は、周知のネルンストの式：
【数１】 （ここで、Ｓはイオン伝導率であり、Ｌは壁厚であり、
Ｒは気体定数（８．３１×１０3 Ｊ・ ｋｍｏｌ-1）であ
り、ΔＴは温度（Ｋ）であり、Ｆはファラデー定数
（９．６５×１０7 Ｃ・ ｋｍｏｌ-1）であり、ｐ1 は膜
のカソード壁でのＯ2 の分圧であり、ｐ2 は膜のアノー
ド壁でのＯ2 の分圧である）に従う。
【００５４】Ｆｉｇ．４Ａの反応器の例から計算された
結果は、次の通りであった。要求された粗製窒素の反応
器入口温度は８５５℃であることがわかった。Ｆｉｇ．
５は、Ｆｉｇ．４Ａの反応器の例の各種の要素の、供給
口からの距離の関数として計算された温度プロフィルを
示すグラフである。Ｆｉｇ．６は、Ｆｉｇ．４Ａの反応
器の例の壁での、供給口からの距離の関数として計算さ
れた供給及びパージ酸素分圧プロフィルを示すグラフで
ある。Ｆｉｇ．４Ａの反応器の例の設計は、イオン輸送
管の壁温度の変化が１００℃よりも低く且つ酸素分圧が
イオン輸送管壁の全長に沿って１０-10 ａｔｍよりも高
いので上首尾である。
【００５５】先に述べたように、単一シェルの設計にお
いてはイオン輸送反応器をその他の使用要件と組合せる
ことが可能である。最も顕著な可能性ある応用は、反応
器／加熱器及び反応器／酸素分離器のためのものであ
る。
【００５６】Ｆｉｇ．７Ａは、本発明に従うイオン輸送
反応器／加熱器の一具体例の詳細を例示する該略図であ
る。Ｆｉｇ．７Ａの反応器／加熱器は、装置のいずれか
の端部に対の管シート８０と８１、８２と８３を備えた
ことを特色とする。イオン輸送管８５の一つの側の列か
らシェル空間が入り込み、第三のガス流れのための加熱
器管８８の他方の側の列からシェル空間が入り込む。イ
オン輸送管８５と加熱器管８８の双方は、自由浮動性の
閉鎖された端部を有し、交互の列に配置することができ
る。また、イオン輸送管８５及び加熱器管８８は、それ
ぞれ同心内部管８６及び８９を含む。イオン輸送管８５
の場合には同心内部管８６は反応性ガス混合物の流入又
は引き出しを可能にし、また加熱器管８８の場合には同
心内部管８９は加熱されるべきガス流れの流入又は引き
出しを可能にさせる。好ましくは、加熱器管８８の内側
の同心管８９は、同心管８９を横切る熱交換を遅くする
ようにその内部又は外部表面で絶縁材９０により絶縁さ
れる。反応器／加熱器のシェルは、可変の軸方向間隔で
そらせ板９２が備えられることが特色である。
【００５７】操作中は、反応性ガス混合物は、シェル側
での酸素含有ガスの流れ方向に関して並流又は向流を望
むかどうかによって、イオン輸送管８５の底部で同心内
部管８６又は環状通路８４に導入される。イオン輸送管
８５の内部表面での反応は、イオン輸送管の壁を横切る
酸素含有ガス流れから酸素のイオン輸送により維持され
る。Ｆｉｇ．７Ａに示すように、加熱されるべきガス流
れは、同心内部管８９に入り、環状通路９６の内側を流
れるときに熱を取り上げる。酸素含有ガスは、同心内部
管８９の底部でシェルより入り、加熱されるべきガス流
れに関して交差並流式で流れる。反応熱は、酸素含有ガ
ス流れの温度上昇及び加熱器管８８内の第三のガス流れ
によって吸収される。
【００５８】上記の具体例におけるように、イオン輸送
管８５の温度は、最適な実行のためには比較的一定に保
持されるべきである。熱は、放射及び対流の双方によっ
て第三のガス流れに伝達される。対流は、温度差が大き
い同心内部管８９の底部付近には高い流れ速度及び高い
対流係数を、また温度差が小さい同心内部管８９の頂部
付近には低い流れ速度及び低い対流係数を達成するよう
に可変のそらせ板間隔によって変動させることができ
る。また、均一な熱束を達成する目的は、環状通路９６
内で第三のガス流れに対して可変の対流係数を与えるこ
とによって助成され得る。これを達成する一つの方法
は、環状通路９６ないで可変ピッチらせん状インサート
９７を使用することであり、これは同心内部管８９の下
端で高い速度を、同心内部管８９の上端で低い速度を生
じさせる。
【００５９】Ｆｉｇ．７Ｂは、Ｆｉｇ．７Ａのイオン輸
送反応器／加熱器において利用できる管シートの該略図
である。シート１００は、イオン輸送管９９を加熱器管
９８と共に交互列で保持する。
【００６０】組み合わされた反応器と加熱器を単一のユ
ニットで使用す利点は、プロセス系の単純化の機会があ
ること、酸素含有ガスの熱容量が不十分である場合に高
い反応熱を取扱う自由があることである。
【００６１】Ｆｉｇ．８Ａは、イオン輸送反応器／酸素
分離器を示す該略図である。イオン輸送反応器／酸素分
離器は、空気のような酸素含有ガス流れをイオン輸送操
作温度に加熱し、純酸素生成物流れを取り出す。Ｆｉ
ｇ．８Ａにおいて、イオン輸送反応器管１２２が上部管
シート１１２に一端で取り付けられ、シールされる。イ
オン輸送反応器管１２２の他端は、自由浮動性であり、
その端部に流れ制限又は流れ分配用オリフィス１２３を
有する。環状通路１２５がイオン輸送管１２２の外壁と
シュラウド管１２４の内壁との間に形成される。端部が
閉鎖されたイオン輸送分離器管１３０が底部管シート１
１０に取り付けられ、シールされる。環状通路１３５が
イオン輸送分離器管１３０の外壁とシュラウド管１２８
の内壁との間に形成される。シュラウド管１２４及び１
２８の双方はそれらの上端で開放され、両者は管シート
１１１に取り付けられ、シールされる。
【００６２】操作中は、反応体ガス流れ１１６は、装置
の頂部でイオン輸送反応器管１２２の内部に導入され、
環状通路１２５内を下方に流れる。酸素は、イオン輸送
反応器管１２２を横切るイオン輸送によって移送され、
その表面で反応を維持させる。反応熱は、シュラウド管
１２４を通るシェル側ガス流れ及びそらせ板１２０には
ねのけられる。反応生成物は、イオン輸送反応器管１２
２の底部でそこにある流れ制限−分配用オリフィスより
出て底部管シート１１０と１１１との間の空間１３８に
入る。酸素含有ガス流れ１１４はシェル１３６に入り、
シェル１３６内のそらせ板１２０より上向きに流れ、そ
こでイオン輸送分離器操作温度（７００℃〜１０５０
℃）に加熱され、次いでイオン輸送分離器１３０とシュ
ラウド管１２８との間の環状通路１３５に入る。イオン
輸送分離器管１３０はその上端が閉じられている。酸素
が、イオン輸送分離器管１３０の壁を横切る酸素分圧の
比を正に保持することによってこの分離器管１３０の壁
を横切って輸送され、酸素含有ガス流れが管シート１１
０よりも下の空間１４０に入り、ガス流れ１１８として
シェル１３６を出る。反応生成物と酸素減少流れの双方
は底部管シート１１０と１１１の間の共通空間１３８に
入り、ガス流れ１１５としてシェル１３６を出る。
【００６３】上記の例と同じように、反応熱は、酸素含
有ガス流れの温度上昇によって吸収されねばならず、イ
オン輸送反応器管１２２の温度はできるだけ均一な温度
に保持されなければならない。上で述べたように、これ
は、可変のそらせ板間隔により局部熱伝達係数を制御す
ることによって一定の局部熱束を保持することにより達
成することができる。環状通路１３５における酸素含有
ガス流れからの熱損失の損害及びイオン輸送分離器管１
３０における温度低下を回避するためには、シェラウド
管１２８は、好ましくはその外部表面で絶縁される。
【００６４】Ｆｉｇ．８Ｂは、イオン輸送反応器／酸素
分離器の別の設計を示す該略図である。イオン輸送反応
器／酸素分離器は空気のような酸素含有ガス流れをイオ
ン輸送操作温度に加熱し、純酸素生成物流れを取り出
す。Ｆｉｇ．８Ｂにおいて、イオン輸送反応器管１５２
は頂部管シート１５４により上端に及び底部管シート１
５６により下端に取り付けられ、シールされる。環状通
路１５６がイオン輸送反応器管１５２の外壁とシュラウ
ド管１５８の内壁との間に形成される。イオン輸送分離
器管１６０は頂部管シート１６２により上端に及び底部
管シート１５６により下端に取り付けられ、シールされ
る。環状通路１６４がイオン輸送分離器管１６０の外壁
とシュラウド管１７０の内壁との間に形成される。シュ
ラウド管１７０及び１５８の双方は両端で開放され、両
者とも管シート１６６に取り付けられ、シールされる。
シュラウド管１５８が管シート１７２に追加的に取り付
けられ、シールされる。管が各端部に取り付けられるそ
の他の配置と同じように、イオン輸送反応器管１５２、
イオン輸送分離器管１６０及びシュラウド管１５８の一
端をシールするのに滑動自在のシール１６８が使用され
る。
【００６５】操作中は、酸素含有供給ガス流れ１５０が
シェル１８０に入り、シェル１８０内のそらせ板１７４
より上向きに流れ、そこでこれはイオン輸送分離器操作
温度（７００℃〜１０５０℃）に加熱され、次いでイオ
ン輸送分離器管１６０とシュラウド管１７０との間の環
状通路１６４に入る。酸素は、イオン輸送分離器管１６
０の壁を横切る酸素分圧の比を正に保持することにより
そのイオン輸送分離器管の壁を横切って輸送され、酸素
ガス流れは反応生成物ガス流れ１８２と一緒になり、一
緒になったガス流れはガス流れ１８４としてシェル１８
０を出る。次いで、若干の酸素を含有する保持側ガス流
れがイオン輸送反応器管１５２とシュラウド管１５２と
の間の環状通路１６４に入る。同時に、さらに水蒸気を
含有し得る反応体ガス流れ１７８が、装置の頂部でイオ
ン輸送反応器管１５２の内部に導入され、下向きに流れ
る。酸素は、イオン輸送反応器管１５２を横切るイオン
輸送によりガス流れ１８６から移送され、その表面で反
応を維持させ、保持側ガス流れはガス流れ１８７として
シェル１８０を出る。反応熱はシュラウド管１５８及び
そらせ板１７４を介するシェル側のガス流れにはねのけ
られる。上で述べたように、反応生成物ガス流れ１８２
はイオン輸送分離器管１６０を透過する酸素と一緒にな
り、一緒になったガス流れはガス流れ１８４としてシェ
ル１８０を出る。
【００６６】Ｆｉｇ．８Ｂに例示する具体例は、イオン
輸送分離器管１６０における酸素移送のための駆動力を
最高にするものである。なぜならば、一部のみよりもむ
しろ全部の空気がまずイオン輸送分離器１６０によって
流れるからであり、またイオン輸送反応器管１５２から
の燃焼ガス流れ１８２の生成物がイオン輸送分離器管１
６０の透過側をパージするために使用されてその側での
酸素分圧を低下させるからである。機械的には、この具
体例は複雑であって、５個の管シート（２個の外側のも
のは浮動性）及び少なくとも２個の滑動性シールを有す
る。幸いなことに、この２個の滑動性シールは、保持側
通路の圧力降下に起因する圧力差が小さい保持側ガス流
れの流入と流出を分離させる。
【００６７】上記の例と同じように、反応熱は、酸素含
有ガス流れの温度上昇によって吸収されねばならず、イ
オン輸送反応器管１５２の温度はできるだけ均一な温度
に保持されなければならない。上で述べたように、これ
は、可変のそらせ板間隔により局部熱伝達係数を制御す
ることによって一定の局部熱束を保持することにより達
成することができる。環状通路１６４における酸素含有
ガス流れからの熱損失の損害及びイオン輸送分離器管１
６０における温度低下を回避するためには、シェラウド
管１７０は、好ましくはその外部表面で絶縁される。
【００６８】種々のイオン輸送イオン導体材料が反応器
及び分離器の使用のために最適な役目を果たすように選
定されるであろう。反応器の役目のために選定された材
料、例えば、表Ｉにリストしたクロム含有ペロブスキー
石類は、低い酸素分圧で最高の安定性を有するべきであ
り、また酸素分離の役目のために選定された材料は高い
酸素分圧で高いイオン伝導率を有するものであるべきで
ある。
【００６９】本発明の具体的な特色を便宜のためにのみ
いくつかの図面に示したが、それぞれの特色は本発明に
従ってその他の特色と組合せることができる。さらに、
上で示した具体例に、本発明の精神から離れることな
く、種々の変更修正を行うことができる。しかして、当
業者には別の具体例が認識されようが、これらは特許請
求の範囲の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】滑動自在の管対管シートのシールがイオン輸送
管における熱的及び構成寸法的な変化を調節する通し管
配置を特色とする本発明のイオン輸送反応器の基本設計
を示す本発明の一具体例の該略図Ｆｉｇ．１である。
【図２】イオン輸送管の端部が頂部カバーによりその頂
部で閉じられシールされ且つ応力を回避するために自由
浮動性にされており、しかも同心内部管が反応側ガスの
供給又は引き出しのために各イオン輸送管の内部に付加
されている、Ｆｉｇ．１に類似の本発明の別の具体例の
該略図Ｆｉｇ．２である。
【図３】酸素含有ガス流れの側と反応対ガス流れの側が
逆になっている、Ｆｉｇ．２と類似の本発明の一具体例
の該略図Ｆｉｇ．３Ａである。
【図４】局部熱伝達係数を変化させるために使用する可
変領域インサート又は可変ピッチらせん状インサートを
示す、Ｆｉｇ．３Ａの同心内部管及びイオン輸送管の詳
細を示す該略図Ｆｉｇ．３Ｂである。
【図５】局部熱伝達係数を変化させるためにシュラウド
管の上に配置された可変絶縁用厚みインサートを示すイ
オン輸送管の別の詳細を示す該略図Ｆｉｇ．３Ｃであ
る。
【図６】不均質反応、酸素流束及び熱伝達を最適化させ
る、Ｆｉｇ．１の具体例と類似する本発明の具体例の図
Ｆｉｇ．４Ａである。
【図７】Ｆｉｇ．４Ａの上部の詳細を示す図Ｆｉｇ．４
Ｂである。
【図８】Ｆｉｇ．４Ａの下部の詳細を示す図Ｆｉｇ．４
Ｃである。
【図９】供給口からの距離の関数として計算されたＦｉ
ｇ．４の反応器の種々の要素の温度プロフィルを示すグ
ラフＦｉｇ．５である。
【図１０】供給口からの距離の関数として計算されたＦ
ｉｇ．４の反応器の壁での供給及びパージ酸素の分圧プ
ロフィルを示すグラフＦｉｇ．６である。
【図１１】閉じられた及び自由浮動性の管端部を有する
イオン輸送反応器／加熱器の詳細を示す本発明の一具体
例の該略図Ｆｉｇ．７Ａである。
【図１２】Ｆｉｇ．７Ａのイオン輸送反応器／加熱器で
利用できる管シートの該略図Ｆｉｇ．７Ｂである。
【図１３】閉鎖じらた及び自由浮動性の管端部を有する
イオン輸送反応器／酸素分離器を示す本発明の一具体例
の該略図Ｆｉｇ．８Ａである。
【図１４】通し管配置を有するイオン輸送反応器／酸素
分離器を示す本発明の一具体例の該略図Ｆｉｇ．８Ｂで
ある。
【符号の説明】
１ イオン輸送管 ２ 環状通路 ３ シュラウド ４ そらせ板 ６ Ｏリングシール ７ 管シート ８ 管シート １４ シェル １５ 絶縁材 １６ 反応体ガス １８ 酸素含有ガス流れ ２０ 酸素減少ガス流れ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビクター・エマニュエル・バーグステン アメリカ合衆国ニューヨーク州イース ト・アマスト、サンバースト・サークル １ (72)発明者 ニティン・ラメシュ・ケスカル アメリカ合衆国ニューヨーク州グラン ド・アイランド、スパイサー・クリーク 138 (72)発明者 バート・アーントーニー・バーン・ハー セル アメリカ合衆国ニューヨーク州ウィリア ムズビル、ジョージアン・レイン61エ イ、ユニットナンバー５ (56)参考文献 特開 平９−175802（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−858（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 10/00 - 12/02 B01J 14/00 - 19/32 B01D 53/22 B01D 61/00 - 71/82 510

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 保持側及び透過側を有するイオン輸送膜
    を含むイオン輸送反応器を使用して反応体ガス流れを元
    素状酸素及び少なくとも１種のその他のガスを含有する
    供給ガス流れからの酸素と反応させる方法において、 （ａ）イオン輸送膜の保持側に供給ガス流れを流し、 （ｂ）イオン輸送膜の透過側に反応体ガス流れを流すこ
    とからなり、 イオン輸送膜を透過する酸素と反応する反応体ガス流れ
    から発生した熱を供給ガス流れに伝達させて供給ガス流
    れを加熱すると共にイオン輸送膜の温度をイオン輸送膜
    の操作範囲内に保持するようにした、反応体ガス流れを
    元素状酸素及び少なくとも１種のその他のガスを含有す
    る供給ガス流れからの酸素と反応させる方法。
  2. 【請求項２】 操作範囲が５００℃〜１１００℃である
    請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 イオン輸送膜に沿った温度を膜の長さの
    全体にわたって一定に保持する請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 イオン輸送膜に沿った温度を２００℃の
    範囲内で一定に保持する請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 膜の透過側での酸素の分圧が１０-16ａ
    ｔｍよりも高く保持されるように酸素透過抵抗及び反応
    速度を割り当てる請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 供給ガス流れの流れを、ガス拡散抵抗を
    最小にするようにイオン輸送膜とシュラウドとの間に供
    給ガス通路を介してイオン輸送膜の保持側に沿って素通
    りさせる請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 供給ガス通路への熱伝達を、可変形状寸
    法、可変そらせ板間隔、可変ピッチらせん状インサート
    及び種々の厚みの絶縁インサートのうちの少なくとも一
    つにより変更させる請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 イオン輸送膜の操作により発生する反応
    熱からの熱の少なくとも一部分をイオン輸送反応器を流
    れる流体流れに伝達させる請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 供給ガス流れを第一供給流れ部分に分
    け、これを反応器に供給して反応体ガス流れとの反応の
    ための酸素を提供し、これによって熱が発生し、この熱
    は少なくとも該第一供給ガス部分を加熱するのに使用さ
    れ、これが熱を保持側及び透過側を有するイオン輸送反
    応器膜を含むイオン輸送分離器モジュールに伝達させ、
    膜より第二の供給ガス部分が流れ、その透過側に沿って
    酸素が抽出される請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 元素状酸素及び少なくとも１種のその
    他のガスを含有する供給ガス流れを分離するためのイオ
    ン輸送反応器であって、 該反応器が、酸素イオンを輸送できる膜であって、保持
    側と透過側を有し、しかも供給ガス流れが保持側を流れ
    るときにその流れから酸素を抽出するためのイオン輸送
    膜を有する少なくとも１個のイオン輸送管を含み、 反応体ガス流れをイオン輸送管の透過側に沿って流して
    それを透過する酸素と反応させ、 イオン輸送管の操作により発生した反応熱からの熱の少
    なくとも一部分をイオン輸送反応器を流れる流体流れに
    伝達させ、 熱伝達面積及び熱伝達係数の少なくとも一つが供給ガス
    流れとイオン輸送膜との間の温度差によって逆比例して
    変動するようにした、元素状酸素及びその他のガスを含
    有する供給ガス流れを分離するためのイオン輸送反応
    器。
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Families Citing this family (83)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004098752A1 (ja) * 1994-10-13 2004-11-18 Kunitaka Mizobe 除湿装置
US5888273A (en) * 1996-09-25 1999-03-30 Buxbaum; Robert E. High temperature gas purification system
US6332964B1 (en) * 1996-12-31 2001-12-25 Praxair Technology, Inc. Multi-phase solid ion and electron conducting membrane with low volume percentage electron conducting phase and methods for fabricating
US5980840A (en) * 1997-04-25 1999-11-09 Bp Amoco Corporation Autothermic reactor and process using oxygen ion--conducting dense ceramic membrane
US6106591A (en) * 1997-06-23 2000-08-22 Praxair Technology, Inc. Process for reducing carbon production in solid electrolyte ionic conductor systems
US6059858A (en) * 1997-10-30 2000-05-09 The Boc Group, Inc. High temperature adsorption process
US5954859A (en) * 1997-11-18 1999-09-21 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte ionic conductor oxygen production with power generation
DE19806810A1 (de) * 1998-02-18 1999-08-19 Deggendorfer Werft Eisenbau Röhrenreaktor für katalytische Reaktionen
US6139810A (en) * 1998-06-03 2000-10-31 Praxair Technology, Inc. Tube and shell reactor with oxygen selective ion transport ceramic reaction tubes
US6296686B1 (en) * 1998-06-03 2001-10-02 Praxair Technology, Inc. Ceramic membrane for endothermic reactions
US6010614A (en) * 1998-06-03 2000-01-04 Praxair Technology, Inc. Temperature control in a ceramic membrane reactor
US6296687B2 (en) * 1999-04-30 2001-10-02 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Natural Resources Hydrogen permeation through mixed protonic-electronic conducting materials
US6302402B1 (en) 1999-07-07 2001-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Compliant high temperature seals for dissimilar materials
DE19936486C1 (de) * 1999-08-03 2001-03-22 Abb Alstom Power Shg Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei strömenden, gasförmigen Fluiden
EP1095914A3 (en) * 1999-10-25 2003-04-16 Nippon Steel Corporation Ceramic composition, composite material, composite material production method, porous body, oxygen separator, and chemical reactor
US6537514B1 (en) 1999-10-26 2003-03-25 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for producing carbon dioxide
US6361584B1 (en) * 1999-11-02 2002-03-26 Advanced Technology Materials, Inc. High temperature pressure swing adsorption system for separation of oxygen-containing gas mixtures
US6454274B2 (en) 2000-03-27 2002-09-24 Praxair Technology, Inc. Joint assembly for joining a ceramic membrane to a tube sheet
US6293084B1 (en) 2000-05-04 2001-09-25 Praxair Technology, Inc. Oxygen separator designed to be integrated with a gas turbine and method of separating oxygen
US6394043B1 (en) * 2000-12-19 2002-05-28 Praxair Technology, Inc. Oxygen separation and combustion apparatus and method
DE10064894A1 (de) * 2000-12-23 2002-06-27 Alstom Switzerland Ltd Luftzerlegungseinrichtung
DE10123219A1 (de) * 2001-05-12 2003-01-16 Bosch Gmbh Robert Wärmetauscher zum Erwärmen eines Produktes, insbesondere einer Masse zur Herstellung von Süßwaren
AU2002332426A1 (en) * 2001-07-25 2003-02-17 Richard A. Haase Processes and apparatus for the manufacture of polynuclear aluminum compounds and disinfectants, and polynuclear aluminum compounds and disinfectants from such processes and apparatus
US20030039601A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-27 Halvorson Thomas Gilbert Oxygen ion transport membrane apparatus and process for use in syngas production
US6663596B2 (en) 2001-08-13 2003-12-16 Scimed Life Systems, Inc. Delivering material to a patient
PL372916A1 (en) * 2002-04-11 2005-08-08 Richard A. Haase Water combustion technology-methods, processes, systems and apparatus for the combustion of hydrogen and oxygen
US7022429B2 (en) * 2002-04-25 2006-04-04 General Electric Company Fluid passages for power generation equipment
CN1720633A (zh) * 2002-10-04 2006-01-11 加利福尼亚大学董事会 氟分离和生成装置
WO2004093235A1 (en) * 2003-04-10 2004-10-28 University Of Connecticut Solid state electrochemical devices
US6916362B2 (en) * 2003-05-06 2005-07-12 Praxair Technology, Inc. Ion transport membrane isolation device
US7425231B2 (en) * 2003-08-06 2008-09-16 Air Products And Chemicals, Inc. Feed gas contaminant removal in ion transport membrane systems
US7658788B2 (en) * 2003-08-06 2010-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system with directed internal gas flow
US7179323B2 (en) * 2003-08-06 2007-02-20 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system
US7122072B2 (en) * 2003-11-17 2006-10-17 Air Products And Chemicals, Inc. Controlled heating and cooling of mixed conducting metal oxide materials
US7396385B1 (en) * 2005-03-31 2008-07-08 Bossard Peter R System and method for efficiently separating hydrogen gas from a mixed gas source
US20050200124A1 (en) * 2004-03-12 2005-09-15 Kleefisch Mark S. High temperature joints for dissimilar materials
US7279025B2 (en) * 2004-12-21 2007-10-09 Praxair Technology, Inc. Separation and reaction method utilizing an oxygen ion transport element
US7771519B2 (en) * 2005-01-03 2010-08-10 Air Products And Chemicals, Inc. Liners for ion transport membrane systems
DE102005006571A1 (de) * 2005-02-11 2006-08-17 Uhde Gmbh Verfahren zur Sauerstoffanreicherung in Gasen, dafür geeignete Anlagen sowie deren Verwendung
US7556675B2 (en) * 2005-10-11 2009-07-07 Air Products And Chemicals, Inc. Feed gas contaminant control in ion transport membrane systems
DE102005060171A1 (de) * 2005-12-14 2007-06-21 Uhde Gmbh Oxidationsreaktor und Oxidationsverfahren
US8268269B2 (en) 2006-01-24 2012-09-18 Clearvalue Technologies, Inc. Manufacture of water chemistries
US7856829B2 (en) * 2006-12-15 2010-12-28 Praxair Technology, Inc. Electrical power generation method
US8262755B2 (en) 2007-06-05 2012-09-11 Air Products And Chemicals, Inc. Staged membrane oxidation reactor system
US7951341B2 (en) * 2008-06-25 2011-05-31 Uop Llc Reactor design for smaller batch transfers of catalyst
DE102009038814A1 (de) 2009-08-31 2011-03-10 Uhde Gmbh Verfahren zur Pottung keramischer Kapillarmembranen
DE102009039149A1 (de) 2009-08-31 2011-03-03 Uhde Gmbh Katalytische Membranmaterial-Beschichtung
US8590490B2 (en) * 2010-02-18 2013-11-26 King Fahd Univ. Of Petroleum & Minerals Carbon-free fire tube boiler
US8287762B2 (en) 2010-04-02 2012-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Operation of staged membrane oxidation reactor systems
US8398755B2 (en) * 2010-04-05 2013-03-19 Generon Igs, Inc. Integrated membrane module for gas dehydration and gas separation
US8117822B2 (en) * 2010-04-19 2012-02-21 King Fahd University Of Petroleum & Minerals Carbon-free gas turbine
US8148583B2 (en) * 2010-05-06 2012-04-03 Air Products And Chemicals, Inc. Feed gas contaminant removal in ion transport membrane systems
US9561476B2 (en) 2010-12-15 2017-02-07 Praxair Technology, Inc. Catalyst containing oxygen transport membrane
US8435332B2 (en) * 2011-04-08 2013-05-07 Praxair Technology, Inc. Oxygen separation module and apparatus
US9486735B2 (en) 2011-12-15 2016-11-08 Praxair Technology, Inc. Composite oxygen transport membrane
CN103987681B (zh) 2011-12-15 2016-08-24 普莱克斯技术有限公司 复合氧气传送膜
EP2935155B1 (en) 2012-12-19 2019-02-13 Praxair Technology Inc. Method for sealing an oxygen transport membrane assembly
US9453644B2 (en) 2012-12-28 2016-09-27 Praxair Technology, Inc. Oxygen transport membrane based advanced power cycle with low pressure synthesis gas slip stream
DE102013103426B4 (de) * 2013-04-05 2018-01-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Membranmodul zur energieeffizienten Sauerstofferzeugung in der Biomassevergasung
US9212113B2 (en) 2013-04-26 2015-12-15 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing a synthesis gas using an oxygen transport membrane based reforming system with secondary reforming and auxiliary heat source
US9938145B2 (en) 2013-04-26 2018-04-10 Praxair Technology, Inc. Method and system for adjusting synthesis gas module in an oxygen transport membrane based reforming system
US9296671B2 (en) 2013-04-26 2016-03-29 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing methanol using an integrated oxygen transport membrane based reforming system
US9611144B2 (en) 2013-04-26 2017-04-04 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing a synthesis gas in an oxygen transport membrane based reforming system that is free of metal dusting corrosion
EP3055052A2 (en) 2013-10-07 2016-08-17 Praxair Technology Inc. Ceramic oxygen transport membrane array reactor and reforming method
EP3055053A2 (en) 2013-10-08 2016-08-17 Praxair Technology Inc. System and method for temperature control in an oxygen transport membrane based reactor
WO2015084729A1 (en) 2013-12-02 2015-06-11 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing hydrogen using an oxygen transport membrane based reforming system with secondary reforming
US9383096B2 (en) 2013-12-23 2016-07-05 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Carbon-free low-NOx liquid fuel oxygen transport reactor for industrial water tube boilers
US9562472B2 (en) 2014-02-12 2017-02-07 Praxair Technology, Inc. Oxygen transport membrane reactor based method and system for generating electric power
US9028720B1 (en) 2014-03-05 2015-05-12 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane reactor systems and methods for producing synthesis gas
WO2015160609A1 (en) 2014-04-16 2015-10-22 Praxair Technology, Inc. Method and system for oxygen transport membrane enhanced integrated gasifier combined cycle (igcc)
US9789445B2 (en) 2014-10-07 2017-10-17 Praxair Technology, Inc. Composite oxygen ion transport membrane
US10441922B2 (en) 2015-06-29 2019-10-15 Praxair Technology, Inc. Dual function composite oxygen transport membrane
US9802159B2 (en) 2015-07-09 2017-10-31 Hamilton Sundstrand Corporation Air separation module canister
US10118823B2 (en) 2015-12-15 2018-11-06 Praxair Technology, Inc. Method of thermally-stabilizing an oxygen transport membrane-based reforming system
US9938146B2 (en) 2015-12-28 2018-04-10 Praxair Technology, Inc. High aspect ratio catalytic reactor and catalyst inserts therefor
US10202946B2 (en) * 2016-03-29 2019-02-12 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Power turbine system
US10215402B2 (en) 2016-03-31 2019-02-26 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Gas-assisted liguid fuel oxygen reactor
US11052353B2 (en) 2016-04-01 2021-07-06 Praxair Technology, Inc. Catalyst-containing oxygen transport membrane
CN106975242A (zh) * 2017-04-19 2017-07-25 江苏索普工程科技有限公司 一种分子筛膜脱水装置
US10018352B1 (en) * 2017-04-21 2018-07-10 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Fire tube boiler system with ion transport membranes
US10899613B2 (en) 2017-10-20 2021-01-26 University Of South Carolina Graphene-ceramic composite membrane for hydrogen separation membranes
EP3797085A1 (en) 2018-05-21 2021-03-31 Praxair Technology, Inc. Otm syngas panel with gas heated reformer
DE202018106378U1 (de) * 2018-11-09 2018-11-19 Muw Screentec Filter- Und Präzisionstechnik Aus Metall Gmbh Katalytischer Durchgangsmembranreaktor zur Durchführung chemischer Gleichgewichtsreaktionen

Family Cites Families (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US517866A (en) * 1894-04-10 Governor for electric or other motors
US1685759A (en) * 1924-05-22 1928-09-25 Ver Fur Chemische Ind Ag Diffusion reaction
US3550355A (en) * 1967-12-22 1970-12-29 Gen Am Transport Oxygen separation process
US3847672A (en) * 1971-08-18 1974-11-12 United Aircraft Corp Fuel cell with gas separator
US3849076A (en) * 1972-06-21 1974-11-19 V Gryaznov Catalytic reactor for carrying out conjugate chemical reactions
US3901669A (en) * 1973-11-05 1975-08-26 Sun Ventures Inc Manufacture of hydrogen from high temperature steam
SU573444A1 (ru) * 1974-06-11 1977-09-25 Новомосковский Химический Комбинат Им. В.И.Ленина Аппарат дл выделени водорода из газовой смеси
FR2366217A1 (fr) * 1975-08-27 1978-04-28 Comp Generale Electricite Dispositif generateur d'hydrogene
US4167457A (en) * 1978-05-05 1979-09-11 Giner, Inc. Passive electrolytic separator
CA1213128A (en) * 1982-10-07 1986-10-28 Arie L. Mos Reactor for exothermic or endothermic chemical processes
SU1472104A1 (ru) * 1986-09-23 1989-04-15 Предприятие П/Я А-1157 Мембранный аппарат дл выделени водорода из газовых смесей
US5306411A (en) * 1989-05-25 1994-04-26 The Standard Oil Company Solid multi-component membranes, electrochemical reactor components, electrochemical reactors and use of membranes, reactor components, and reactor for oxidation reactions
ATE122256T1 (de) * 1989-03-08 1995-05-15 Rocky Research Vorrichtung und verfahren zur erhaltung von hohen reaktionsleistungen in fest-gas-reaktorsystemen.
CA2017243C (en) * 1989-05-25 2003-09-30 Terry J. Mazanec Novel solid multi-component membranes, electrochemical reactor and use of membranes and reactor for oxidation reactions
DE3921390A1 (de) * 1989-06-29 1991-01-17 Merck Patent Gmbh Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von reinem sauerstoff
US5342431A (en) * 1989-10-23 1994-08-30 Wisconsin Alumni Research Foundation Metal oxide membranes for gas separation
US5229102A (en) * 1989-11-13 1993-07-20 Medalert, Inc. Catalytic ceramic membrane steam-hydrocarbon reformer
US5035726A (en) * 1990-05-24 1991-07-30 Air Products And Chemicals, Inc. Process for removing oxygen from crude argon
US5035727A (en) * 1990-05-24 1991-07-30 Air Products And Chemicals, Inc. Oxygen extraction from externally fired gas turbines
US5169415A (en) * 1990-08-31 1992-12-08 Sundstrand Corporation Method of generating oxygen from an air stream
US5160713A (en) * 1990-10-09 1992-11-03 The Standard Oil Company Process for separating oxygen from an oxygen-containing gas by using a bi-containing mixed metal oxide membrane
GB2257054A (en) * 1991-07-04 1993-01-06 Normalair Garrett Oxygen generating system
US5205842A (en) * 1992-02-13 1993-04-27 Praxair Technology, Inc. Two stage membrane dryer
US5240473A (en) * 1992-09-01 1993-08-31 Air Products And Chemicals, Inc. Process for restoring permeance of an oxygen-permeable ion transport membrane utilized to recover oxygen from an oxygen-containing gaseous mixture
US5240480A (en) * 1992-09-15 1993-08-31 Air Products And Chemicals, Inc. Composite mixed conductor membranes for producing oxygen
JPH06134244A (ja) * 1992-10-20 1994-05-17 Orion Mach Co Ltd 膜式気体ドライヤ
US5384051A (en) * 1993-02-05 1995-01-24 Mcginness; Thomas G. Supercritical oxidation reactor
US5565017A (en) * 1993-12-17 1996-10-15 Air Products And Chemicals, Inc. High temperature oxygen production with steam and power generation
US5516359A (en) * 1993-12-17 1996-05-14 Air Products And Chemicals, Inc. Integrated high temperature method for oxygen production
US5447555A (en) * 1994-01-12 1995-09-05 Air Products And Chemicals, Inc. Oxygen production by staged mixed conductor membranes
JP3402515B2 (ja) * 1994-05-23 2003-05-06 日本碍子株式会社 水素分離体とそれを用いた水素分離装置及び水素分離体の製造方法
US5552039A (en) * 1994-07-13 1996-09-03 Rpc Waste Management Services, Inc. Turbulent flow cold-wall reactor
US5480620A (en) * 1994-08-17 1996-01-02 Cameron; Gordon M. Catalytic converter
AU706663B2 (en) * 1994-09-23 1999-06-17 Standard Oil Company, The Oxygen permeable mixed conductor membranes
US5681373A (en) * 1995-03-13 1997-10-28 Air Products And Chemicals, Inc. Planar solid-state membrane module
US5599383A (en) * 1995-03-13 1997-02-04 Air Products And Chemicals, Inc. Tubular solid-state membrane module
US5547494A (en) * 1995-03-22 1996-08-20 Praxair Technology, Inc. Staged electrolyte membrane
KR100275822B1 (ko) * 1995-05-18 2000-12-15 조안 엠. 젤사 압력 구동식 고체전해질 막을 통한 가스분리방법(pressure driven solid electrolyte membrane gas separation method)
EP0747108B1 (en) * 1995-06-07 2002-02-20 Air Products And Chemicals, Inc. Oxygen production by ion transport membranes with work recovery
US5562754A (en) * 1995-06-07 1996-10-08 Air Products And Chemicals, Inc. Production of oxygen by ion transport membranes with steam utilization
TW317588B (ja) * 1995-06-14 1997-10-11 Praxair Technology Inc
US5611931A (en) * 1995-07-31 1997-03-18 Media And Process Technology Inc. High temperature fluid separations using ceramic membrane device
US5837125A (en) * 1995-12-05 1998-11-17 Praxair Technology, Inc. Reactive purge for solid electrolyte membrane gas separation

Also Published As

Publication number Publication date
ZA983541B (en) 1998-10-30
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DE69829524D1 (de) 2005-05-04
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KR19980081784A (ko) 1998-11-25
US5820655A (en) 1998-10-13
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